JP2017196952A

JP2017196952A - 車両のバッテリ搭載構造

Info

Publication number: JP2017196952A
Application number: JP2016087705A
Authority: JP
Inventors: 康洋原; Yasuhiro Hara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2017-11-02

Abstract

【課題】車幅方向の衝突エネルギーを吸収する部材が、車幅方向に圧縮されたときの変位量を十分に確保することができる車両のバッテリ搭載構造を提供する。【解決手段】車幅方向の両側に車両前後方向に延びてそれぞれ配置された骨格部材２５と、前記骨格部材２５の間に配置された電池パック１８とを備えた車両のバッテリ搭載構造において、前記電池パック１８の車幅方向における両側面４３と前記骨格部材２５との間に、車両前後方向に長尺な中空状の補強部材５５が連結され、前記補強部材５５の下面の下側は開放空間６９となっており、前記補強部材５５の前記下面６３に易変形部６８が設けられ、前記易変形部６８は、前記補強部材５５における前記易変形部６８以外の部分の前記車幅方向の荷重に対する強度より低強度で前記下面６３の下側に向けて変形するように構成されている。【選択図】図１

Description

この発明は、車両が走行するためのバッテリをフロアパネルなどの車体の下側にある部材に取り付ける構造に関する。

特許文献１にはフロアパネルの下側に、車両が走行するための燃料電池スタック（バッテリ）が取り付けられた車両用電池搭載構造が記載されている。この車両用電池搭載構造には、左右一対のロッカの間にフロアパネルが設けられており、そのフロアパネルの下面側に、バッテリの下面を支持するバッテリフレームが設けられている。また、バッテリフレームの車幅方向外側には、エネルギー吸収部材が配置されている。そのエネルギー吸収部材は、車両前後方向に向けて設けられ、また、車幅方向に切断したときの断面が、矩形状の閉断面を有するブロックを複数並べたような形状である。つまり、エネルギー吸収部材の上面と下面とに連結する部材と、エネルギー吸収部材の対向する側面同士を連結する部材とが複数形成されている。

特開２０１４−０８０１１６号公報

特許文献１に記載された構造によれば、側面衝突などにより車体の側方から大きな荷重が入力されたときに、エネルギー吸収部材の変位量などに応じたエネルギーを吸収することができる。しかしながら、そのエネルギー吸収部材の内部には、エネルギー吸収部材の上面と下面とに連結した部材が複数形成されているので、エネルギー吸収部材が上下方向に変位しにくい。そのため、エネルギー吸収部材の両側面の間に、エネルギー吸収部材の内部を構成する部材が挟まれる可能性がある。そのため、衝突エネルギーを受けたときに、エネルギー吸収部材の車幅方向への変位量が小さくなってしまい、その結果、エネルギー吸収部材が衝突エネルギーを十分に吸収することができないおそれがあった。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、車幅方向の衝突エネルギーを吸収する部材が、車幅方向に圧縮されたときの変位量を十分に確保することができる車両のバッテリ搭載構造を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、この発明は、車幅方向の両側に車両前後方向に延びてそれぞれ配置された骨格部材と、車幅方向におけるそれぞれの前記骨格部材の間に配置された電池パックとを備えた車両のバッテリ搭載構造において、前記電池パックの車幅方向における両側面と前記骨格部材との間に、車両前後方向に長尺な中空状の補強部材が連結され、前記補強部材の下面の下側は開放空間となっており、前記補強部材の前記下面に易変形部が設けられ、前記易変形部は、前記補強部材における前記易変形部以外の部分の前記車幅方向の荷重に対する強度より低強度で前記下面の下側に向けて変形するように構成されていることを特徴とするものである。

この発明によれば、電池パックの車幅方向における両側面と骨格部材との間に設けられた車両前後方向に長尺な中空状の補強部材の下面に、易変形部が設けられている。その易変形部は、補強部材における易変形部以外の部分の車幅方向の荷重に対する強度より低強度であるので、車幅方向の荷重によって変形しやすく、また、その変形は、補強部材の下面の下側に向けて発生する。そのため、車幅方向外側から受けた衝突エネルギーを易変形部が車幅方向内側に変位あるいは変形しつつ吸収し、さらに、補強部材の車幅方向を向く両側面の間にその変形した易変形部が挟まれることを抑制することができる。したがって、補強部材が車幅方向に圧縮されたときに、易変形部が衝突エネルギーを吸収するための変位量を十分に確保することができる。

この発明の実施形態におけるバッテリ搭載構造の電池パックとサイドシルとが連結された状態を示す断面図である。この発明の実施形態におけるバッテリ搭載構造を適用した車両の一例を説明するための図である。バッテリモジュールの一例を示す斜視図である。この発明の実施形態におけるバッテリ搭載構造の補強部材を説明するための図である。易変形部の他の構成を説明するための図である。図５の易変形部を説明するための図であって、貫通孔がある位置における電池パックとサイドシルとが連結された状態を示す断面図である。易変形部のさらに他の構成を説明するための図である。電池パックとサイドシルとが異なる構成で連結された状態を説明するための図である。

以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。図２は、この発明の実施形態における車両のバッテリ搭載構造１を適用した車両１０の一例を示す図である。図２では、車両１０を底面側から見ており、矢印ＦＲは車両１０の前方方向を、矢印ＲＨは車幅方向の外側（車体右側）を示している。図２に示すように車両１０は、例えばフロントコンパートメント１１にコンバータ１２、インバータ１３、モータ１４および動力伝達機構１５を搭載し、また車両１０の底面には５個の電池パック（バッテリ）１６，１７，１８，１９，２０を搭載している。電池パック１６〜２０は、単セルの集合体を含むバッテリモジュール２１を直方体のケース２２に収容した形態となっている。コンバータ１２は、バッテリモジュール２１から出力される電圧を昇圧するとともに、バッテリモジュール２１から出力される電圧の変動を吸収して安定した電圧をインバータ１３に供給する。インバータ１３は、バッテリモジュール２１から出力される直流電流を交流電流に変換するとともに、周波数を制御する。動力伝達機構１５は、モータ１４が出力する駆動力を増減して駆動輪２３に伝達する。なお、コンバータ１２を省略してインバータ１３をバッテリモジュール２１に直接に接続してよい。また、駆動輪が後輪となるようにコンバータ１２、インバータ１３、モータ１４および動力伝達機構１５をリヤ側に配置してよい。さらにコンバータ１２、インバータ１３、モータ１４および動力伝達機構１５をフロント側およびリヤ側にそれぞれ配置して四輪駆動としてよい。

車両１０は、車幅方向の両端に、車両１０の前後方向に延びた一対のサイドシル（ロッカー）２４，２５を備えている。一対のサイドシル２４，２５の互いに平行な部分の間には、電池パック１６〜２０が車両１０の前後方向に所定間隔を保って並べて配置されている。電池パック１６〜２０の各々は、底面視にて車両１０の前後方向の長さよりも車幅方向の長さが長い矩形状になっており、長手方向を車幅方向に合わせた向きで一対のサイドシル２４，２５の間に固定されている。一対のサイドシル２４，２５は、フロアパネル４２（図１参照）の車幅方向における両側端側に車両前後方向に向けてそれぞれ配置された骨格部材の一例である。電池パック１６〜２０の各々は、側面衝突したときの衝撃荷重に対する抵抗力を補う補強材として機能する。一対のサイドシル２４，２５の互いに平行な部分のほぼ中央に配置された電池パック１８に対して車両１０の前後には、車幅方向に延ばして設けられたフロアクロス２６，２７が配置されている。フロアクロス２６，２７の両端は、一対のサイドシル２４，２５に固定されている。なお、この発明の実施形態では、電池パック１６を５個使用しているが、これに限らず６個以上または単数を含む４個以下を使用してよい。また、フロアクロス２６，２７のいずれか一方または両方を省略してよい。さらに、一対のサイドシル２４，２５は平行でなくてもよい。

図３は、バッテリモジュール２１の一例を示す斜視図である。図３では、矢印ＦＲが車両１０の前方向を、矢印ＬＨが車幅方向の外側（車体左側）を、矢印ＵＰが車両１０の上方向をそれぞれ示している。図３に示すようにバッテリモジュール２１は、第１エンドプレート３０、第２エンドプレート３１、第１テンションプレート３２、第２テンションプレート３３および電池スタック（積層体）３４を備えている。バッテリモジュール２１は、例えば車幅方向に沿う長さが車両１０の前後方向に沿う長さよりも長く、車両１０の高さ方向に沿う長さが車両１０の前後方向に沿う長さよりも短い直方体の形状となっている。

電池スタック３４は、複数の単電池（単セル）３５を車幅方向に積層して一体化したものである。単セル３５は、例えば車両１０の前後方向の長さが車幅方向の長さ（厚み）よりも長く、車両１０の高さ方向の長さが厚み長さよりも長い薄厚平板状に形成されている。電池スタック３４は、単セル３５の厚み方向、つまり車幅方向に積層されている。

単セル３５は、固体電解質と、固体電解質に対して積層方向の両側に設けられた一対の電極（正極および負極）を有する。図示は省略するが、複数の単セル３５は、ハーネス（ケーブル）により互いに電気的に接続されている。バッテリモジュール２１は、複数の単セル３５を直列に接続して構成されており、単セル３５の数に応じた電圧を、外部に露出した正極端子および負極端子を通じて出力する。電池パック１６〜２０は、各々が電気的に並列に接続される。電池パック１６〜２０を並列に接続することによりモータ１４の駆動に必要な電流容量が得られる。

第１エンドプレート３０および第２エンドプレート３１は、電池スタック３４の積層方向の両端に配置される。第１テンションプレート３２は、電池スタック３４の上側で第１エンドプレート３０および第２エンドプレート３１の間に、固定具、例えば複数のボルト３６，３７により固定される。第２テンションプレート３３は、電池スタック３４の下側で、第１エンドプレート３０および第２エンドプレート３１の間に、固定具、例えば複数のボルト３６，３７により固定される。第１エンドプレート３０、第２エンドプレート３１、第１テンションプレート３２および第２テンションプレート３３は、硬度または剛性を有する材質から構成される。電池スタック３４は、ボルト３６，３７の締結によって第１エンドプレート３０および第２エンドプレート３１の間で積層方向に拘束される。

このようなバッテリモジュール２１は、電解質が固体であるため電解液漏れの心配がなく、また単セル３５を構成する主な部材が耐衝撃性の高い要求を満たすように作られているため、拘束方向での耐衝撃性が高い長所を有する。なお、第１テンションプレート３２、第２テンションプレート３３およびボルト３６，３７は、拘束部材の一例である。また、第１エンドプレート３０および第２エンドプレート３１には、絶縁性材料で形成されたケース２２に固定するための固定板３８が設けられている。固定板３８は、バッテリモジュール２１が固定される収容部４０の図示しない固定部に、締結部材によって固定される。なお、固定板３８は、一つは図示していないが、一つのモジュールに対して四つ設けられている。

図１は、車両前後方向で中央に配置された電池パック１８とサイドシル２５とが連結された状態を示す断面図である。以下の説明では、一つの電池パック１８を例に説明するが、他の電池パック１６，１７，１９，２０についてもサイドシル２５と同様に連結されている。図１では、矢印ＬＨが車幅方向の外側（車体左側）を、矢印ＵＰが車両上方向をそれぞれ示している。図１に示すように、電池パック１８は、バッテリモジュール２１およびケース３９を含む。ケース３９は、バッテリモジュール２１が固定される収容部４０、および収容部４０を塞ぐ蓋部４１を有する。電池パック１８の上面には、フロアパネル４２が配置されている。フロアパネル４２は、車幅方向の両端が、サイドシル２４，２５に接合されている。

サイドシル２５は、車体の軽量化と剛性確保とを目的として、例えばアルミ軽合金材料の押し出し加工によって形成されている。サイドシル２５は、図１に示すように、電池パック１８の車幅方向における外側の端面４３に対向する内壁部４４と、車幅方向外側で内壁部４４に対向する外壁部４５とを備えている。また、サイドシル２５には、内壁部４４の上端と外壁部４５の上端とをつなぐ上壁部４６と、内壁部４４の下端と外壁部４５の下端とをつなぐ下壁部４７とが設けられている。つまり、サイドシル２５は、内壁部４４、外壁部４５、上壁部４６および下壁部４７とによって囲われた中空構造となっている。また、外壁部４５の下側には傾斜部４８が形成されている。この傾斜部４８は、車両１０の外観を向上させるために設けられている。また、サイドシル２５の内部には、サイドシル２５の内部を車両上下方向で分けるように二つの補強板４９，５０が設けられている。その二つの補強板４９，５０は、車幅方向の両端がそれぞれ内壁部４４および外壁部４５と一体に形成されており、この二つの補強板４９，５０によって、サイドシル２５の内部は、車両１０の上側から順に第１中空部（断面閉中空部）５１と、第２中空部５２と、第３中空部５３とに分けられている。この二つの補強板４９，５０は、サイドシル２５の剛性を高めるために設けられている。

また、サイドシル２５は、車両１０の下側で、かつ車幅方向の内側に、矩形状に窪んだ凹部５４を有する断面形状となっている。その凹部５４には、ケース３９の端面４３に取り付けられた補強フランジ部５５が入り込むように配置されている。補強フランジ部５５は、この発明の補強部材に相当し、内部が中空状で車両１０の前後方向に長尺な部材である。この補強フランジ部５５の車幅方向内側の内面部５６は、ケース３９に溶接や溶着によって取り付けられている。また、その内面部５６の下端５７と、内面部５６に車幅方向外側で対向する外面部５８の下端５９とは、電池パック１８の下面およびサイドシル２５の下壁部４７よりも下側に位置している。

また、図１に示すように、補強フランジ部５５の上面部６０は、サイドシル２５の内壁部４４であって、かつ凹部５４の上面である取付部６１と面接触している。そして、その補強フランジ部５５の上面部６０と取付部６１とをボルト６２で固定することにより、電池パック１８とサイドシル２５とが一体化されている。

ボルト６２を取り付けるときには、図４に示すように、補強フランジ部５５の上面部６０に対向する下面部６３のうち、ボルト６２を取り付ける位置の下側に設けられた作業孔６４からボルト６２を差し込む。また、取付部６１の図示しない挿通孔の第２中空部５２側には、予めウェルドナット６５が溶着されている。そのため、作業孔６４から挿し込まれたボルト６２が上面部６０に設けられた締結孔６６と挿通孔とに通され、そのボルト６２をウェルドナット６５にねじ込むことによって補強フランジ部５５とサイドシル２５とが固定される。このような補強フランジ部５５を介して連結することにより、電池パック１８とサイドシル２５との締結部が電池パック１８の自重によって変形することを抑制することができる。なお、その補強フランジ部５５の上面部６０と取付部６１とは、溶着や接着などによって固定されていてもよい。

さらに、図１および図４に示すように、補強フランジ部５５の下面部６３には、車幅方向の中央部６７が下側に屈曲した易変形部６８が設けられている。その易変形部６８は、補強フランジ部５５における易変形部６８以外の部分の車幅方向の荷重に対する強度より低強度となっており、また、荷重によって下面部６３の下側に向けて変形する。具体的には、易変形部６８は、補強フランジ部５５の下面部６３における車幅方向両側端５７，５９から中央部６７に向かうにつれて、補強フランジ部５５の下面部６３より下側の開放空間６９側に傾斜している。そして、その下面部６３の車幅方向における中央部６７が最も下側に突出するように形成されている。なお、ここで「中央部」というのは、物理的に「厳密な中央」はもちろんのこと、技術常識的からみて中央にみられる「ほぼ中央」を含む概念である。また、以下で言う「中央」あるいは「中央部」も前述したと同じまたは同様な概念とする。さらに、車幅方向の右側の図示しない補強部材も、前述したと同じまたは同様な構成を備えている。

この構成によれば、側面衝突などにより車幅方向外側から荷重が入力されると、外面部５８が車幅方向内側に押されるので、内面部５６と外面部５８との間で上面部６０および下面部６３が車幅方向内側に圧縮される。上面部６０は、車両上下方向を向く平板状の部材であり、また、取付部６１とボルト６２によって固定されているので反力が大きく、車幅方向に変位および変形が生じにくい。これに対して下面部６３は、中央部６７が開放空間６９側に屈曲しており、車幅方向の荷重に対する強度が低く構成されている。つまり、入力される荷重が大きいと中央部６７が開放空間側に折れ曲がる。すなわち、下面部６３は、車幅方向外側から受けた荷重によって易変形部６８が電池パック１８側に変位および塑性変形しつつ、その衝突エネルギーを吸収することができる。

また、荷重によって中央部６７は下面部６３より下側に座屈するため、内面部５６と外面部５８との間に下面部６３を構成する部材が挟まることを抑制あるいは回避することができる。したがって、車幅方向の衝突エネルギーを吸収するときの易変形部６８の変位量を、比較的大きくすることができるので、衝突エネルギーをより吸収することができ、電池パック１８を保護することができる。さらに、補強フランジ部５５の内面部５６および外面部５８は、電池パック１８の下面およびサイドシル２５の下壁部４７より下側まで延びている。そのため、例えば路面の障害物などを電池パック１８より先に補強フランジ部５５の外面部５８あるいは下面部６３に接触させることができるので、電池パック１８を保護することができる。

ついで、図５および図６を参照して易変形部の他の構成について説明する。以下、上述した構成と同じまたは同様の構成の部材については同じ符号を付して説明する。易変形部６８の他の構成は、図５および図６に示すように、車両前後方向に長尺な楕円状の貫通孔７０が複数、設けられている。その貫通孔７０は、図５に示すように、補強フランジ部５５の下面部６３における前後方向に所定の間隔をあけて配置されており、また、作業孔６４とは重ならないように設けられている。

この構成によれば、車幅方向外側から荷重が入力されたときに、補強フランジ部５５の外面部５８がサイドシル２５から受けた荷重によって車幅方向内側に押し込まれると、補強フランジ部５５が車幅方向内側に圧縮される。このとき、易変形部６８である貫通孔７０により、車両上下方向を向く平板状の部材と比較して、下面部６３の車幅方向の圧縮荷重に対する強度が小さくなっているので、補強フランジ部５５の下面部６３が車幅方向に容易に変位、変形、あるいは破断することができる。また、貫通孔７０によって、内面部５６と外面部５８との間に挟まれる圧縮された下面部６３の総量が比較的少なくなっている。そのため、補強フランジ部５５が車幅方向に圧縮されるときに、易変形部６８が衝突エネルギーを吸収するための変位量を大きくすることができる。

また、図７に示すように、易変形部６８は、ビード形状によって形成されていてもよい。この構造によれば、側面衝突などの衝撃により車幅方向外側から荷重を受けて、易変形部６８が内面部５６と外面部５８との間で圧縮されると、易変形部６８が電池パック１８側に変位し、さらに大きな荷重が作用すると易変形部６８の屈曲した部分が折れ曲がって変形する。その変位および変形によって易変形部６８が車幅方向外側からの衝突エネルギーを吸収することができる。また、この構成では、屈曲している部分で確実に変形を発生させることができるので、車両上下方向を向く平板状の部材を車幅方向から圧縮する場合と比較して、易変形部６８の車幅方向への変位量を確保することができる。

以上、実施形態に基づいて説明したが、この発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられて実施されるものである。なお、補強フランジ部５５の上面は、ボルト６２によって凹部５４の上面である取付部６１に固定されているとしたが、これに限らず、電池パック１８とサイドシル２５との間であって、かつ電池パック１８とサイドシル２５とを締結する部分の補強部材として機能するように構成されていればよい。そのため、例えば、図８に示すように、サイドシル２５と電池パック１８との間で、サイドシル２５の内壁部４４に取り付けられた中空状の強度部材７１に補強フランジ部５５が締結されていてもよい。その強度部材７１は、車両前後方向に向けて配置されるとともに、車幅方向に切断したときの断面が矩形状に形成されている。そして、強度部材７１の下面７２に設けられた図示しない取付孔と補強フランジ部５５の上面に設けられた締結孔６６とを通してボルト６２を取り付けることによって強度部材７１と補強フランジ部５５とが固定されている。すなわち、電池パック１８とサイドシル２５とが締結されている部分の強度を補強フランジ部５５によって向上させることができる。

また、上述したような補強フランジ部５５は、最も前側に位置する電池パック１６の前面および最も後側に位置する電池パック２０の後面に設けられていてよい。このような構成であれば、車両前方および車両後方からの荷重によるエネルギーを吸収することができ、また、路面の障害物などを電池パック１８より先に補強フランジ部５５に接触させることができるので、電池パック１８をさらに保護することができる。さらに、上記の実施形態では、固体電解質を有する単セルを積層したバッテリモジュールを使用しているが、これに限らず、例えば液体電解質を有する単電池を積層したものでもよい。

１…バッテリ搭載構造、１０…車両、１６，１７，１８，１９，２０…電池パック、２４，２５…サイドシル、５５…補強部材、６３…下面部、６８…易変形部、６９…開放空間。

Claims

車幅方向の両側に車両前後方向に延びてそれぞれ配置された骨格部材と、
車幅方向におけるそれぞれの前記骨格部材の間に配置された電池パックとを備えた車両のバッテリ搭載構造において、
前記電池パックの車幅方向における両側面と前記骨格部材との間に、車両前後方向に長尺な中空状の補強部材が連結され、
前記補強部材の下面の下側は開放空間となっており、
前記補強部材の前記下面に易変形部が設けられ、
前記易変形部は、前記補強部材における前記易変形部以外の部分の前記車幅方向の荷重に対する強度より低強度で前記下面の下側に向けて変形するように構成されている
ことを特徴とする車両のバッテリ搭載構造。